DE2804744C2

DE2804744C2 - Verfahren zum Herstellen von hochreinem Aluminiumchlorid

Info

Publication number: DE2804744C2
Application number: DE2804744A
Authority: DE
Inventors: Stanley Carlton Lower Burrell Pa. Jacobs; Larry Keith Maryville Tenn. King; Bernard John New Kensington Pa. Racunas
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1977-02-03
Filing date: 1978-02-02
Publication date: 1987-01-22
Also published as: FR2379481A1; NO146390C; NZ186196A; NL7801206A; SE424439B; RO76369A; YU11478A; NO780274L; DE2804744A1; AU513164B2; CH627715A5; JPS53124196A; GB1595613A; AU3277778A; FR2379481B1; JPS5635611B2; DD134759A5; IN147509B; SE7800248L; IT1155806B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von hochreinem Aluminiumchlorid durch Kondensieren von Aluminiumchloridgas in einem Fließbett aus Aluminiumchloridteilchen und Abziehen des erhaltenen Produkts.
Bei der Herstellung von für die nachfolgende Reduktion zu metallischem Aluminium geeignetem Aluminiumchlorid durch Chlorieren von Stoffen, die Verbindung von Aluminium und anderen Stoffen wie Silizium, Titan und Eisen enthalten, müssen die sich ergebenden Chloride abgetrennt werden, um Aluminiumchlorid herzustellen, das für die nachfolgende Elektrolyse ausreichend rein ist.
In der US-PS 37 86 135 ist ein Verfahren zur Gewinnung von hochreinem Aluminiumchlorid durch Kondensieren von Aluminiumchloridgas in einem Fließbett aus Aluminiumchloridteilchen beschrieben, wobei die heißen Abgase abgekühlt werden, um selektiv Natriumaluminiumchlorid und andere hochschmelzende Chloride zu kondensieren, die anfänglich kondensierten Stoffe sowie mitgerissene Teilchen aus dem Abgas abgetrennt und dann die Abgase weiter auf einen bestimmten Temperaturbereich abgekühlt werden, um einen hohen Anteil der verbleibenden flüchtigen Bestandteile zu kondensieren, die über der Kondensationstemperatur des Aluminiumchlorids kondensierbar sind. Abschließend erfolgt bei diesem Verfahren eine direkt Sublimierung von hochreinem Aluminiumchlorid in einem Fließbett aus Aluminiumchlorid in einem Temperaturbereich von etwa 30 bis 100°C.
Bei diesem bekannten Verfahren verhindern Filter über dem Fließbett den Verlust der Teilchen aus dem Kondensator. Festes Aluminium wird am Boden des Kondensators abgezogen. Aus diese Druckschrift ist es weiterhin bekannt, daß bei niedrigeren Temperaturen innerhalb eines Bereichs von 30 bis 100°C die mittlere Teilchengröße des kondensierten Produkts im allgemeinen kleiner ist, und selbst im Bereich von 30 bis 100°C eine bestimmte Menge des gasförmigen Aluminiumchlorids nicht desublimiert. Daraus wird der Schluß gezogen, daß Kondensiertemperaturen am Ende des angegebenen Bereichs von 30 bis 100°C erwünscht seien.
Während sich bei diesem Temperaturbereich eine zufriedenstellende Teilchengröße und auch eine wirtschaftlich attraktive Aluminiumchloridausbeute ergeben, hat sich herausgestellt, daß diese Arbeitsweise zur unerwünschten Kondensierung der Nebenprodukte wie Titantetrachlorid führen kann.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin. ein Verfahren zum Herstellen von hochreinem Aluminiumchlorid anzugeben, mit welchem es auf einfache Weise möglich ist, ein Produkt hoher Reinheit und gewünschter geringer Partikelgröße bei Betriebstemperaturen zu erhalten, bei denen bislang nur unerwünscht große Teilchen hergestellt werden konnten, wobei das erzeugte Aluminiumchlorid für die nachfolgende elektrolytische Reduktion zu metallischem Aluminium geeignet ist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das gasförmige Aluminiumchlorid in das Bett mit einer Eintrittsgeschwindigkeit von 18 bis 90 m/s eingeführt wird und daß die Größe der Festteilchen aus Aluminiumchlorid innerhalb des Fließbettes durch Abziehen der Aluminiumchloridteilchen von dem Fließbett in einer Menge zwischen 5 und 20 Gew.-% des Bettes pro Stunde oder durch Aufbrechen in kleinere Teilchen auf nicht mehr als 500 µm gehalten wird.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es überraschenderweise gelungen, durch Erhöhen der normalen Einführungsgeschwindigkeit des gasförmigen Aluminiumchlorids in das Fließbett die Partikelgröße auf den gewünschten Wert zu steuern.
Dabei bewirkt die erfindungsgemäße angewandte Eintrittsgeschwindigkeit auch ein ausreichendes Durchmischen der heißen Dämpfe mit den kalten Fließbetteilchen, die zu einer Kondensierungszone im Bett in unmittelbarer Nähe der Düse führt.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung der Erfindung an Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung.
Wie in Fig. 1 gezeigt, tritt gereinigter Aluminiumchloriddampf durch eine Leitung 6 und einen Einlaß 30 in eine Kondensationskammer 18 ein. Am Einlaß 30 ist beispielsweise eine Hilfsheizung und/oder Kühlvorrichtung vorgesehen, um ein verfrühtes Abkühlen sowie ein Verflüssigen und Verfestigen des Durchströmenden Aluminiumchloridgases zu verhindern, das den Einlaß sonst zusetzen und damit die erwünschte Kondensation bzw. Desumblimierung nachteilig beeinflußen könnte.
Die in die Kondensierkammer 18 eingeführten Gase sollen auf den Teilchen des Fließbettes 16 kondensieren bzw. desublimieren. Das Fließbett 16 besteht aus Aluminiumchloridteilchen einer Teilchengröße im Bereich von 1 bis 500 µm, die mittels eines Gases im Fließzustand gehalten werden, das in die Kondensationskammer 18 durch eine Leitung 8 eintritt. "Desublimierung" bzw. "desublimieren" bezeichnet die direkte Bildung von dem festen Aluminiumchlorid aus der Gasphase ohne merkbare Bildung einer flüssigen Zwischenphase, während "Kondensation" bzw. "kondensieren" eine Änderung der Gas- zur Flüssig- oder zur Festphase umfassen soll.
Die Aluminiumchloriddämpfe treten bei einer Temperatur von etwa 250°C in das Bett mit einer Geschwindigkeit von 18 m/s bis zu 90 m/s ein.
Die sich anscheinend bildende Kondensationszone ist vermutlich die Ursache dafür, daß sich die Teilchengröße wenigstens teilweise durch Änderung der Eintrittsgeschwindigkeit steuern läßt. Bei einer höheren Geschwindigkeit wird vermutlich der 250°C heiße Aluminiumchloriddampf tiefer in das Bett eingedrückt, so daß die Temperatur der Kondensationszone sinkt. Es wurde gefunden, daß die Zunahme der Geschwindigkeit (ohne Änderung der Bettemperatur) eine geringe Teilchengröße ergibt.
Die Aluminiumchlorid-Einspeisetemperatur von 250°C ergibt sich aus der Abstimmung mehrerer Faktoren. Niedrigere Temperaturen bergen die Gefahr, daß sich der Einlaß 30 mit festem Aluminiumchlorid zusetzt. Höhere Temperaturen haben den Nachteil, daß mehr Wärme aus dem Fließbett entfernt werden muß. Die Einspeisetemperatur reicht dabei bis zu 350°C, besser von 150 bis 300°C und insbesondere von 220 bis 300°C.
Die Steuerung der Teilchengröße über eine Einstellung der Einspeisegeschwindigkeit resultiert also in einer Steuerung und Verringerung der Teilchengröße ohne weitere Senkung der Bettemperatur insgesamt, die auch eine größere Menge TiCl₄ ebenfalls kondensieren und damit die Reinheit des AlCl₃-Produkts beeinträchtigen würde.
Die in das Bett eintretenden Aluminiumchloriddämpfe kondensieren auf den Teilchen, während die verbleibenden Dämpfe anderer Verunreinigungen, wie beispielweise Titanchlorid, aus dem Bett durch eine Leitung 38 abströmen. Einen dieser Dämpfe werden wieder in die Leitung 8 gegeben und dienen als Fließgas, während die verbleibenden Dämpfe zum Wäscher strömen. Der Durchgang der festen Aluminiumchloridteilchen durch die Leitung 38 wird durch die Filter 36 verhindert.
Eine Reinheit des erzeugten Aluminiumchlorids von 99,5 Gew.-% oder höher bei einem TiCl₄-Anteil von weniger als 0,008 Gew.-% wird erhalten, indem man das Fließbett bei einer Temperatur von 60 bis 80°C arbeiten läßt. Diese Temperatur wird mit Kühlschlangen 26 aufrechterhalten, die ausreichend kaltes Wasser führen, um das Fließbett auf dieser Temperatur zu halten. Bei der genannten Eintrittsgeschwindigkeit ergibt sich Teilchengrößenbereich, der für die nachfolgenden elektrolytischen Reduktionszellen geeignet ist. Höhere Bettemperaturen (auch über 80°C) ergeben immer noch brauchbare Teilchengrößen. Deshalb dient die obere Grenze des Temperaturbereichs des Fließbetts nicht dazu, eine richtige Teilchengröße beizubehalten, sondern die Aluminiumchloridverluste gering zu halten, die bei höheren Temperaturen auftreten würden.
Weiterhin wird eine Teilchengrößenkontrolle auf maximal 500 µ durch Abziehen der Aluminiumchloridteilchen durch den Ablaß 40 am Boden des Fließbetts 16 in einer Menge von 5 bis 20% des Betts pro Stunde aufrechterhalten. Es ist für die Durchführung des Verfahrens zweckmäßig, daß die Teilchenabnahme am Bodenbereich des Betts erfolgt, um zu gewährleisten, daß die größten Teilchen, die schwierig im Fließzustand zu halten sind, entfernt werden. Der Bodenbereich soll einen Ort innerhalb der untersten 10% der Betthöhe bezeichnen.
Es kann auch beispielsweise ein Inertgas wie CO₂ oder N₂ regelmäßig in das Fließbett 16 mit einer Geschwindigkeit von 90 m/s durch Düsen eingeblasen werden, die beispielsweise an der Stelle des Ablasses 40 angeordnet sind. Diese Druckwellen bewirken einen Abrieb zwischen den großen Teilchen, so daß sie zu kleineren Teilchen aufbrechen.
Alternativ können die Teilchen oben am oder in der Mitte des Fließbetts abgezogen und zu größeren und kleineren Teilchen gesiebt werden. Die kleinen Teilchen von weniger als 40 µm Größe führt man in das Bett zurück. Die größeren Teilchen lassen sich unmittelbar zur Speisung einer Schmelzzelle oder zu anderen Zwecken - beispielsweise als Katalysator - verwenden oder zu den oben angegebenen Größen mahlen oder stoßen und dann in das Fließbett zurückführen.
Eine weitere Alternative der Teilchengrößensteuerung ist ein mechanisches Mahlwerk unmittelbar im Bett.
Um die Ausführungsform nach Fig. 1 weiter zu erläutern, wurden AlCl₃-Dämpfe mit einer Eintrittsgeschwindigkeit von etwa 90 m/s bei einer Bettemperatur zwischen 60 und 80°C durch ein Fließbett geschickt, das anfänglich 50 g Aluminiumchloridteilchen enthielt. Pro Stunde wurden drei 10-g-Proben entfernt. Die Teilchengröße und Reinheit wurden analysiert. Die Teilchengröße betrug im Mittel etwa 300 µm, die Reinheit mehr als 99,5 Gew.-% und der Titantetrachloridanteil weniger als 0,008 Gew.-%.
Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist eine andere Anordnung zum Steuern der Reinheit des Aluminiumchlorids, wobei gleichzeitig der Teilchengrößenbereich beibehalten und die Chloridverluste gering gehalten werden.
Dort strömen Aluminiumchloriddämpfe durch eine erste Kondensiereinrichtung, die auf einer Temperatur von 80 bis 110°C gehalten wird, mit einer Eingangsgeschwindigkeit von 18 bis 90 m/s. Die Aluminiumchloridteilchen werden am Boden der Kondensiervorrichtung abgezogen. Die verbleibenden Dämpfe gibt man dann mit einer Eintrittsgeschwindigkeit von 18 bis 90 m/s auf eine zweite Kondensiervorrichtung, die auf einer Temperatur von 20 bis 50°C gehalten wird. Die niedrige Temperatur der zweiten Kondensiervorrichtung gewährleistet ein Auffangen aller Chloride, die in die zweite Vorrichtung eintreten.
Nach Fig. 2 befindet sich ein erstes Fließbett 2 in einem Gefäß mit der Seitenwand 4, durch welche die Aluminiumchloriddämpfe über eine Leitung 6 eintreten, die in einer Düse 30 endet, die in das Fließbett 2 ragt.
Die Chloriddämpfe kondensieren im Fließbett 2 auf den Aluminiumchloridteilchen mit einer Teilchengröße von 1 bis 500 µm, die mit einem Gas im Fließzustand gehalten werden, das in das Bett 2 am Einlaß 8 eintritt. Während die Aluminiumchloriddämpfe auf den Aluminiumchloridteilchen kondensieren, werden diese größer, wobei die größeren Teilchen am Boden des Betts bleiben. Die größeren Teilchen werden in einer Menge von 5 bis 20% des Betts pro Stunde durch einen Auslaß 40 abgezogen, der sich am Boden des Fließbetts 2 befindet.
Nach Fig. 2 werden die Teilchen im Fließbett 2 auf einer Temperatur von 80 bis 110°C durch Kühlschlangen 26 gehalten, die das Fließbett auf den gewünschten Temperaturbereich kühlen. Somit bleiben Verunreinigungen wie Titanchlorid und Siliziumchlorid im Dampfzustand, so daß sich eine Reinheit des Aluminiumchlorids von mehr als 99,5% ergibt. Dabei können die in das Fließbett 2 eintretenden Aluminiumchloriddämpfe eine Einlaßtemperatur von 150 bis 250°C haben. Während die Aluminiumchloriddämpfe auf den Teilchen im Fließbett 2 kondensieren, steigt das übrige Gas einschließlich des Fließgases im Fließbett 2 aufwärts, wo dann Filterbeutel 36 die Festteilchen absondern, während das Gas und die flüchtigen Chloride durch die Leitung 38 aus dem Bett 2 strömen.
Die das Fließbett 2 über die Leitung 38 verlassenden heißen Gase strömen in ein zweites Fließbett 52 aus Aluminiumchloridteilchen durch eine Düse 80. Kühlschlangen 76 im Fließbett 52 halten die Temperatur der Fließbetteilchen bei etwa 20 bis 50°C, um ein vollständiges Abfangen sämtlicher Chloride zu gewährleisten. Diese Chloride lassen sich dann durch eine Auslaßöffnung 90 abziehen, die entsprechend der Auslaßöffnung 40 im Fließbett 2 angeordnet ist. Auch hier wird eine Abzuggeschwindigkeit wie im ersten Fließbett, von 5 bis 20% pro Stunde angewandt. Die übrigen Gase einschließlich der Fließgase strömen durch Filter 86 in eine Leitung 88, von wo sie über eine Leitung 94 einer weiteren Reinigung zugeführt oder über eine Leitung 92 zu den Leitungen 8 und/oder 58 geführt werden, um als Fließgas in den Fließbetten 2 und 52 zu dienen.
Das folgende Beispiel soll die Vorteile der Ausführungsform nach Fig. 2 weiter erläutern.
Aluminiumchloriddämpfe wurden durch ein Fließbett mit anfänglich 50 kg Aluminiumchloridteilchen mit einer Eintrittsgeschwindigkeit von etwa 90 m/s und einer Betttemperatur von 80 bis 110°C geschickt. Die nicht kondensierten Dämpfe strömten durch das Fließbett und dann über ein Filter und die Auslaßöffnung in ein zweites Fließbett aus Aluminiumchloridteilchen bei einer Temperatur von 20 bis 50°C, um die verbleibenden Aluminiumchloriddämpfe zu kondensieren bzw. zu desublimieren. Durch regelmäßiges Abziehen von 5 bis 20 Gew.-% des Aluminiumchlorids aus dem ersten Bett erhielt man Teilchen, die 0,004 Gew.-% oder weniger Titantetrachlorid enthielten. Die Analyse der Abgase aus dem zweiten Fließbett zeigt eine minimale Menge von Aluminiumchlorid in Dampfform, was bedeutet, daß die Chloridverluste auf ein Minimum reduziert waren.

Claims

Verfahren zum Herstellen von hochreinem Aluminiumchlorid durch Kondensieren von Aluminiumchloridgas in einem Fließbett aus Aluminiumchloridteilchen und Abziehen des erhaltenen Produkts, dadurch gekennzeichnet, daß das gaförmige Aluminiumchlorid in das Bett mit einer Eintrittsgeschwindigkeit von 18 bis 90 m/s eingeführt wird und daß die Größe der Festteilchen aus Aluminiumchlorid innerhalb des Fließbetts durch Abziehen der Aluminiumchloridteilchen von dem Fließbett in einer Menge zwischen 5 und 20 Gew.-% des Bettes pro Stunde oder durch Aufbrechen in kleinere Teilchen auf nicht mehr als 500 µm gehalten wird.